变压器保护计算在35 kV变电站中的应用

摘 要：变压器保护计算是电力系统整定计算的重要一环，是电力设备保护计算的基础，变压器保护计算的正确与否直接关系到变压器发生故障时保护装置能否正确动作。现首先对差动保护及变压器后备保护计算原理进行研究，然后分析变压器整定计算原则是否符合35 kV变压器保护切除短路故障要求，并经算例分析与实际应用验证了变压器保护定值的选择性与灵敏性，为变压器安全稳定运行提供了理论依据。

关键词：变压器；整定计算；短路电流；灵敏度

中图分类号：TM774    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0009-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.003

0    引言

变压器是电网构成的重要设备之一，起着电能传输和电压等级转换的核心作用，当变压器非正常状态运行时，尤其是发生内部绕组匝间短路或外部套管故障时，短路点产生的巨大短路电流将通过变压器绕组和铁芯，短时间产生大量热量，轻则改变变压器本体外形，重则烧毁整个变压器及其相邻电力设备。大型电力变压器内部设计十分复杂，构造成本居高不下，如发生变压器故障致使设备损坏等情况，将使整个供电系统停电，从而对居民生活造成极大不便，由于主变大修要求技术高、时间长、维修困难，在经济上也会造成极大损失[1]。

35 kV变压器主要配置以非电量保护和差动保护为首的主保护，并配置以复合电压闭锁的过电流保护和过负荷告警等功能的后备保护。非电量保护中有反映变压器内部油流和气体变化量的重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警功能，也有反映变压器温度变化量的油温高跳闸及绕组温度高报警等保护，保护配置如图1所示。通过多重保护可以确保电力变压器安全稳定运行[2]。

1    变压器保护原理

差动保护是电力变压器区内故障的主保护，无须与其他保护配合，可以快速无选择性地切除区内故障，其通过CT采集变压器不同侧二次电流，在保护装置差动回路中形成环流计算差流[3]，变压器正常运行时差流为零，当变压器内部故障时，流进保护装置的差流为短路电流，当短路电流大于保护装置设置定值时，保护装置动作跳变压器各侧开关，其保护原理如图2所示。

（1）

式中：nCT1为一侧CT变比；nCT2为二侧CT变比。

（2）

式中：Ik′为二次电流相量和大小。

Ibh为保护定值，当Ik′＞Ibh时，保护动作跳各侧断路器。

在差动保护整定计算中，变压器各侧连接绕组不同，各侧电流大小和电流互感器变比也不一致，导致差动保护回路中有不平衡电流产生[4]。在智能保护装置中应用比率差动保护计算原理，能够保证区外故障时不平衡电流产生保护不误动，区内故障时保护有很好的灵敏度，其公式如下：

Id≥Iqd.min，                               Ir≤0.5Ie，Id-Iqd.min≥k×（Ir-0.5Ie），       0.5Ie＜Ir≤3Ie，Id-Iqd.min≥k×2.5Ie+Ir-3Ie，     Ir＞3Ie     （3）

式中：Id为差动电流；Iqd.min为差动启动电流；Ir为制动电流；Ie为额定电流；k为比率制动系数。

（4）

其原理如图3所示。

2    变压器保护原则

35 kV变电站变压器保护计算整定值时，主要依据《黑龙江省10 kV～110 kV电网继电保护整定计算技术规范（试行）》、DL/T 584—2017《3 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》[5]和Q/GDW 11425—2018《省、地、县电网继电保护一体化整定计算技术规范》[6]来选取35 kV变压器保护整定原则。

2.1    变压器差动保护整定原则

變压器差动保护主要有差动速断保护和比率差动保护需计算定值。差动速断保护整定原则为躲变压器充电时励磁涌流，其大小与变压器的容量有关，35 kV变电站变压器容量多为3.15～10 MVA，其差动速断整定为变压器容量越大，倍数越小，多数取5倍。比率差动保护差动启动电流整定原则为躲变压器正常运行的最大不平衡电流，其计算公式如下[7]：

Iqd.min=Kk（Ker+ΔU+Δm）Ie             （5）

式中：Kk为可靠系数，取1.3～1.5；Ker为电流互感器误差比，10P取0.06，5P取0.02；ΔU为变压器调压范围比，取变压器调压百分比的一半；Δm为变压器高低两侧电流互感器变比不匹配时产生的误差，取0.05。

2.2    变压器后备保护整定原则

根据规程要求，经过复压闭锁的变压器后备过电流保护，应选取合适的电动机自启动系数来决定最大允许负荷电流[8]，以避免短路故障被保护切除后，保护装置采集电压恢复故障前状态，而系统中负荷由于电动机的频繁启动超过过电流保护定值，造成保护误动。故35 kV变压器后备保护的计算公式如下：

Idz≥Kk×Kzq×Ie/Kf               （6）

式中：Idz为动作电流；Kk为可靠系数，取1.15～1.25；Kzq为自启动系数，多数为1，具体按接线和负荷性质确定；Kf为保护返回系数，新式微机综自装置取0.95，老式电磁型取0.85。

变压器高压侧和低压侧后备保护装置均配有过负荷定值，其功能分为告警和跳闸，过负荷定值的整定原则为按躲过变压器额定电流的1.05倍整定，其公式如下：

Idz≥Kk×Ie/Kf                     （7）

3    算例分析与应用

龙江35 kV合山变原有容量6 300 kVA，由于近几年经济增长和农耕灌溉致使负荷增加，原有容量不足以满足居民生产和生活需求，所以提出将原有6.3 MVA容量变压器增容为10 MVA，更换变压器参数为SZ11-10000/35（35±3×2.5%/10.5 kV），变压器接线方式为Y/△-11接线，变压器高压侧CT变比为200/5，低压侧CT变比为800/5。合山变为综自变电站，主变分为主保护和后备保护，主保护为变压器差动保护，后备保护为经复合电压闭锁的变压器过电流保护，采用长园深瑞ISA-387G和ISA-388G变压器保护装置。

合山变35 kV变电站运行方式为上级线路西碾线单线供电方式，该变压器配备的过电流保护除保护本变压器之外，还是下级线路的远后备保护，在下级线路保护拒动时，本保护能动作切除故障。在计算变压器高压侧和低压侧后备保护定值时，依据选择性原则，主变低压侧后备保护要比高压侧后备保护差1.1倍配合系数；依据灵敏性原则，主变的高后备保护对低压侧母线故障要有不小于1.3倍灵敏度，低压侧保护对本母线灵敏度要大于1.5。35 kV变压器后备保护时间整定时，应考虑与上级线路时间配合关系，有不小于Δt的时间极差，由于35 kV合山变为双绕组变压器构造，高后备保护时间与低后备保护时间要有不小于0.3 s的时间极差[6]。

合山变35 kV变电站一次系统如图4所示，该站共有2台35 kV双绕组变压器，依据龙江县调运行方式为2台35 kV变压器不并列运行。

根据地调35 kV西碾线保护运行方案，过流保护定值一次值为420 A，时间为1.9 s，合山变35 kV母线等值电源为Xmin=1.351 1，Xmax=1.577 4。以1号主变为例计算出等值阻抗，如图5所示。

3.1    变压器差动保护整定

1）差动速断保护按躲变压器励磁涌流整定：

Idz≥5Ie≥5×164.96=824.8 A              （8）

取Idz为825 A，校验变压器正常方式下高压侧灵敏度：

Klm=Id.max/Idz=（1/1.351 1）×1 560/825≈1.40 （9）

式中：Klm为灵敏度；Id.max为正常方式下三相短路电流。

灵敏度大于1.2满足要求。

2）比率差动启动电流整定：

Iqd.min=1.5×（0.06+0.075+0.05）Ie=0.277 5Ie  （10）

取啟动电流为0.3Ie。

3.2    高压侧后备保护整定

1）躲主变本侧额定电流：

Idz≥Kk×Ie/Kf=1.25×164.96/0.95

≈217.05 A（11）

2）按变压器中低压侧母线故障时有灵敏度整定。小运行方式，在合山变1号主变的低压侧发生两相相间短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×1 560/1.3

≈527.7 A（12）

式中：I2d.min为小运行方式下两相相间短路电流。

3）与上级电流保护反配合。与上级西碾线过流定值（I=420 A，t=1.9 s）反配合：

Idz≤I/（Kk×Kfz）=420/（1.1×1）≈381.82   （13）

式中：Kfz为分支系数。

tbh=t-Δt=1.9-0.3=1.6 s切主变两侧开关，所以复闭过流定值取292 A。

二次值Idzj=Idz/CT=292/（200/5）=7.3 A，小运行方式下校核1号主变低压侧灵敏度为：

Klm=I2d.min/Idz=（1/2.274 0）×1 560/292

≈2.35＞1.3   （14）

满足灵敏度要求，过负荷电流定值按1.05倍的额定电流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×164.96/0.95≈182.32（15）

取184 A，tbh=9.0 s作用于过负荷信号。

3.3    低压侧后备保护整定

1）躲主变本侧额定电流：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.25×549.86/0.95=723.5 A（16）

2）按变压器中低压侧母线故障时有灵敏度整定。小运行方式，在合山变1号主变的低压侧发生两相相间短路：

Idz≤I2d.min/Klm=（1/2.274 0）×5 500×0.866/1.5

≈1 396.36 A         （17）

3）与高压侧复合闭锁方向过流保护反配合：

Idz≤[Idzh/（Kfz×Kk）×Ueh]/Uel

=[292/（1×1.1）×37]/10.5≈935.41 A（18）

式中：Idzh为高压侧定值；Ueh为高压侧基准电压；Uel为低压侧基准电压。

考虑到变压器额定电流为549.86 A，为保证与主变高压侧过流配合时0.866系数，故取复闭过流定值Idz=800 A。

二次值Idzj=Idz/CT=800/（800/5）=5 A，第一动作时限tbh1=1 s切低压侧分段，第二动作时限tbh2=1.3 s切低压侧开关。

小运行方式下1号主变低压侧灵敏度为：

Klm=I2d.min/Idz=2 094.55/800≈2.62＞1.5     （19）

满足灵敏度要求，同理过负荷电流定值按1.05倍的额定电流整定：

Idz≥Kk×Ie/Kf =1.05×549.86/0.95=607.74 A  （20）

取608 A，tbh=9.0 s作用于过负荷信号。

故合山变主变高后备保护及低后备保护定值和时间完全配合，为合山变安全运行提供了更好的保障。

4    结束语

电力系统短路计算是解决电力系统相间故障的有效手段，继电保护中整定计算原则的准确选取、导则的相关运用是保证继保装置正确动作的重要一环，有效的整定计算值可以避免故障进一步扩大，确保系统稳定运行，避免可能发生的事故，对电网的安全运行起到决定性作用。

[参考文献]

[1] 贺青童.35 kV变电站继电保护系统的设计与应用[D].石家庄：河北科技大学，2017.

[2] 周鼎.变压器保护整定计算研究及系统开发[D].武汉：华中科技大学，2006.

[3] 常鲜戎，陈昱.主变压器差动保护整定计算详解[J].江西科学，2014，32（1）：104-106.

[4] 杨宁.35 kV变压器继电保护与控制技术若干问题研究[D].杭州：浙江大学，2019.

[5] 3 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程：DL/T 584—2017[S].

[6] 省、地、县电网继电保护一体化整定计算技术规范：Q/GDW 11425—2018[S].

[7] 鲁璐.大规模新能源接入宁东电网对继电保护的影响研究[D].北京：华北电力大学，2018.

[8] 微机继电保护装置运行管理规程：DL/T 587—2007[S].

收稿日期：2023-04-13

作者簡介：张延福（1989—），男，黑龙江人，工程师，研究方向：继电保护整定计算。